Európában használatos tömörség- és teherbírás mérési módszerek Subert István okl.építőmérök, okl.közlekedésgazdasági mérnök Andreas Kft. Budapest Bevezető, előzmények A földművek, közúti- a vasúti- és vízépítési műtárgyak építésének egyik legfontosabb minősítő paramétere a tömörség. Az után-tömörödés megelőzéséhez, a vízbehatolás mérsékléséhez szükséges határértékeket valamennyi európai szabályozás fontos paraméterként kezeli. A tömörségi fok hagyományosan - a beépítés során elért sűrűség és a viszonyítási sűrűség hányadosa, százalékban kifejezve. A tömöríthetőségi vizsgálat fő jellemzője ezért a legnagyobb száraz sűrűség - mint viszonyítási sűrűség egy lehetséges és elterjedten alkalmazott, laboratóriumban meghatározott érték. A viszonyítási sűrűséget a laboratóriumban hazánkban - mértékadóan - a módosított Proctorvizsgálatokkal végezzük, Proctor-edényben, ejtősúlyos tömörítőgéppel. A német területeken jellemző az egyszerűsített Proctor vizsgálat, mely kisebb tömörítő munkával, vastagabb rétegvastagsággal és kevesebb réteggel dolgozik, ezért a 0% feletti tömörségi fok is lehet követelmény. Az európai szabvány újabb típusú tömöríthetőségi vizsgálati módszereket is megenged a viszonyítási sűrűség meghatározására, mint a vibrátoros vizsgálatok: EN 1386-3 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-sajtolásos módszerrel EN 1386-4 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-kalapácsos módszerrel EN 1386-5 viszonyítási sűrűség meghatározása vibro-asztalos módszerrel Ezek alkalmazása, kipróbálása még nem történt meg hazánkban. Egymással való egyenértékűségük e vizsgálatoknak egyelőre nem ismeretes, átszámításuk nincs. Várhatóan azonban ezek aligha fognak egyezni a különböző modellhatás miatt. Az alapvető feltétel azonban ezek összehasonlításánál, hogy a tömörítési munka megegyező legyen. A tömörségi fok mellé újabb követelmények, ajánlások is terjednek. Ilyen például a telítettség, vagy levegőtartalom ajánlott értékeinek előírása. Már az FGSV 516, de az ÚT -1. ÚME is, egyes esetekben 1% levegőtartalom biztosítását kéri az előírt tömörségi fok elérése mellett. A megengedett telítettségre nincs közvetlen előírás, bár az említett levegőtartalom ilyen előírásnak is értelmezhető. Nagyfelületű földmunkákra dolgozott ki minősítési lehetőséget a tömörség és teherbírás kontrolljára az osztrák Prof D.Adam és Prof Kopf, a hengerre szerelt gyorsulásmérővel határozva meg a tömörítés állapotát (Evib és Omega). Teljesen új iránynak tekinthető a magyar dinamikus tömörségvizsgálat is, mely a terjedőben lévő LFWD (Light Falling Weight Deflectometer) berendezés egy módosított változatával mérhető, az ejtések során kialakuló tömörödési görbe elemzésével. Cégünk a portugál Correira professzor úr meghívására részt vett egy összehasonlító vizsgálatsorozatban, így beszámolhatunk az ott tapasztalt új vizsgálati módszerekről is. 1
Tömörségmérés a portugáliai EVORA-ban A Portugáliai Műszaki Egyetem Geotechnikai Tanszéke és Prof Correia meghívására, egy kísérleti szakaszon - sok más műszer és módszer mellett - a magyar B&C dinamikus tömörség- és teherbírás mérő berendezés is tesztelésre kerülhetett. Az európai szabadalmat kapott magyar módszert az Andreas Kft fejlesztette ki. A hazánkban jól ismert vizsgálati módszer megmérettetésére számos új és hagyományos mérés mellett valósulhatott meg. A kísérleti próbabeépítés Evora város mellett volt, ahol K-Ny-i irányban az országot átszelő új, nagysebességű vasútvonal épül. Az elvégzett hagyományos és kísérleti mérések a földmű tömörségének, valamint teherbírásának minősítésére szolgáltak. 1. 1. kép, Portugália, elkészült pályaszakasz. kép, Portugália, próbabeépítés helyszíne Tömörségmérés radioizotópos műszerrel Az egyik legelterjedtebb mérési eljárás (ASTM D6938), mely során a talajba bocsátott, majd a talajon áthaladó gamma-sugárzást detektor észleli; és a mérési idő alatt összeszámlált impulzusok száma a talaj nedves sűrűségével arányos. Lapszondás és tűszondás mérések is történtek. A tömörségi fok meghatározásához kell még a víztartalom értéke és a viszonyítási sűrűség, amihez a terepi száraz sűrűséget hasonlítják. Európában jellemzően az EN 1386- szerinti módosított-, német területen még az egyszerűsített Proctor, legnagyobb száraz sűrűség alkalmazása használatos. A vizsgálat időigénye 15-5 perc és három párhuzamos vizsgálatot kell végezni, azt átlagolni. Két laboráns mérőszemélyzet az előírás.
3. kép, Izotópos tömörségmérés 4. kép, Homok-kitöltéses módszer 3
Homok-kitöltéses módszer A mérés (ASTMD4914) elve, hogy a vésővel, kanállal kiszedett talajmintát homokkal helyettesítik, hogy a térfogatát meghatározzák. A felületre körlemez nyílású sablont felhelyezik, majd a nyílásán át gondosan kiszedik, mérik a tömegét és a víztartalmát. Ezután száraz homokkal feltöltik a mélyedést, a térfogatot számítva. Kifejezetten idő- és energiaigényes, sőt négykézlábas módszernek tartják. A módszer másik változata, amikor az üregbe gumimembrán, abba pedig mért térfogatú víz kerül. A kapott terepi sűrűségből számítják - a viszonyítási sűrűséget figyelembe véve - a tömörségi fokot. A Bangkoki Ramkhamhaeng Egyetem harminc darabos sorozatmérése szerint a homokkitöltéses módszerrel számított tömörségi fok és a B&C dinamikus tömörségi fok egy tizedre egyező értéket mutatott ki. A homokkitöltéses módszer vizsgálatának időigénye 5-35 perc a helyszínen, egy laboráns elegendő. Párhuzamos vizsgálatot nem alkalmaznak. 5-6. kép, B&C dinamikus tömörség és teherbírás mérő műszer B&C dinamikus tömörségmérés Nagy sikert aratott a magyar vizsgálat, mely a Light Falling Weight Deflectometer kistárcsás mérőeszközre történő átalakításával, egy tömörödési görbét állítunk elő, úgy, hogy adott magasságból, kg tömegű testet csillapítórugó közvetítésével 163mm átmérőjű merev tárcsára ejtjük -18 alkalommal az ejtősúlyt. Ez pdin=0,35 MPa dinamikus nyomással tömöríti a réteget (CEN WA 15846, illetve ÚT-.14). A süllyedési amplitúdók sorozatából határozható meg a relatív helyszíni tömörségi fok, mely az adott víztartalom mellett elért tömörítést jellemzi. A dinamikus tömörségi fok a relatív tömörségi fok és a nedvességkorrekciós tényező szorzata. A nedvesség hatását figyelembe vevő tényező a talaj víztartalomtól függő tömörödését jellemzi. (Trw<=1,00). 7-8. kép, B&C dinamikus tömörség és teherbírás mérő műszer 4
A dinamikus tömörségmérés %-os mérési pontossága lehetővé teszi a minőség-ellenőrzés hatékonyságának javítását, a korrekt minőségtanúsítást. A mérés igen gyors a többi mérési módszerhez képest, egy laboránst és -3 percet vesz igénybe, valamint párhuzamos méréssel képez átlagot. A B&C dinamikus tömörségmérési módszer független a sűrűségtől, ezért alkalmas bármilyen anyagok, még az igen alacsony sűrűségű pernye, vagy az inhomogén sűrűségű kohósalak töltések, rétegek mérésére, de az izotópos készülékeket megbolondító meszes stabilizációk vizsgálatára is. A B&C a dinamikus tömörségi fok mérésével egyidejűleg meghatározza a talaj Ed (MPa) teherbírási modulusát is. Nagytárcsás könnyű-ejtősúlyos berendezés Mint ismeretes, a 300mm-es tárcsaátmérőjű LFWD a dinamikus modulus mérési eredményéből az s/v (alakváltozás/tárcsasebesség) hányados számítható, ami Zorn szerint a tömöríthetőséget, azaz az elért tömörséget is jellemezheti. A teherbírás meghatározására Európában nagyon terjed a Light Falling Weight Deflectometer típusú berendezések alkalmazása, melynél adott magasságból, kg tömegű testet ejtenek. Ez a 300mm átmérőjű merev tárcsa alatt pdin=0,1 MPa dinamikus terhelést hoz létre (TPBF-StB8.3, RVS08.03.04). Az LFWD-típusú készülékek előnye, hogy ellensúlyt, terhelő gépkocsit nem igényelnek. Az alakváltozást jellemző átlagos süllyedési amplitúdó a második mérési sorozatából határozható meg,5/s a dinamikus teherbírási modulus Evd (N/mm). A vizsgálat időigénye -15 perc a helyszínen, egy laboráns a méréshez elegendő. Párhuzamos vizsgálatot nem alkalmaznak. 9.kép, Kistárcsás és nagytárcsás LFWD könnyűejtősúlyos berendezések PORTANCEMETRE-módszer A földmű teherbírásának folyamatos mérésére használatos Francia műszer, melyet gépjárművel vontatnak. A teljes mérés a vezetőfülkéből vezényelhető, ahol az adatgyűjtő és feldogozó rendszer is helyet kap. A vibrációs terhelésű kerék, ennek érzékelő kerete a tréler vázára vannak függesztve. A mérés 1m/sec sebességű. A vizsgálat nagy előnye, hogy folyamatos, 30 perc alatt 1800 méter mérhető a helyszínen. Egy laboráns és egy vezető a méréshez elegendő. Párhuzamos vizsgálatként oda-vissza mérnek egymás melletti nyomon. 5
-11. kép, Portancemetre folyamatos teherbírás mérési módszer Kiszúróhengeres tömörség-mérési módszer A Portugáliai összehasonlításban nem alkalmazták ezt a mérési módszert. A kiszúróhengeres módszer hazánkban jól ismert, igen régóta alkalmazott eljárás, pontossága azonban egyes becslések szerint rosszabb az izotópos mérésnél is. A terepi sűrűség meghatározásához kell a hengerben maradó anyag tömege, a víztartalom értéke, majd az így számított száraz terepi sűrűség és a viszonyítási sűrűség aránya a tömörségi fok. Európában jellemzően az EN 1386- szerinti módosított-, német területen még az egyszerűsített Proctor, legnagyobb száraz sűrűség alkalmazása használatos. A vizsgálat időigénye -15 perc és három párhuzamos vizsgálatot kell végezni, azt átlagolni. Egy laboráns elegendő a méréshez. A 35-ös úton tudunk pernye töltésen történt összehasonlító mérésről. A B&C mérés értékei néhány százalékkal alacsonyabbak voltak, mint a kiszúróhengeres eredmények. 1. kép, Kiszúróhengeres módszer 13. kép, Durham MDI 6
Durham MDI (Moister Density Indicator) sűrűség- és víztartalommérő Dielektromos állandó elvén működő amerikai műszer. Nem csak a víztartalmat, hanem a sűrűséget is méri e módszerrel, kalibrálás után. Hibája kisebb, mint az izotópos műszereké, de a viszonyítási sűrűséget nem nélkülözheti. A terepi sűrűség meghatározásához kell a mért víztartalom értéke, majd az így számított száraz terepi sűrűség és a készülékbe a kezelő által beütött viszonyítási sűrűség aránya adja a tömörségi fokot. Az EN 1386- szerinti módosított-, illetve az egyszerűsített Proctor, legnagyobb száraz sűrűség alkalmazása is lehetséges, ugyanúgy, mint a többi viszonyítási sűrűséget alkalmazó mérésnél. A vizsgálat időigénye -15 perc. Amerikai mérési előírás tudomásunk szerint készült, európai változatáról nincs tudomásunk. Vélhetően egy laboráns is elegendő a méréshez. Continouos Compaction Control Nagyfelületű tömörségmérés Nagyfelületű tömörítések tömörség- és teherbírás mérésére, melyet prof Kopf és prof Adam fejlesztettek ki, nagy felületű földmunkák minősítésére. A hengerre szerelt gyorsulásmérővel határozzák meg a mért amplitúdók változásaiból a Evib modulust és az Omega mérőszámot. Ezek összefüggéseit az LFWD könnyűejtősúlyos berendezéssel is vizsgálták, alkalmazását megkönnyítve. A mérés három dimenziós táblázatot ad eredményül, mely színkódokkal azonosítja a tömörségre jellemző mérési eredményeket. A tömörségi fokkal tapasztalati úton már összefüggésbe hozták. Megjegyezzük, hogy a Szlovén Műszaki Egyetem Geotehnika Tanszéke szakvéleményében a B&C dinamikus tömörségi fok és a CCC Evib értéke között kiemelkedően jó korrelációt mutatott ki. 14-15. kép, CCC nagyfelületű tömörség és teherbírás vizsgálata Statikus teherbírási modulusokból meghatározott tömörségi tényező A teherbírást a statikus tárcsás vizsgálat hagyományos (hazánkban is használt) 300mm-es (ASTM D1194) és a d=600mm-es Francia szabvány (NF P 94-117-1) szerint vizsgálták. A második felterhelésből származó Ev teherbírási modulus és az első terhelésből adódó Ev1 modulusok aránya a hazánkban is ismert tömörségi tényező (Tt), melynek a tömörséget közelítően jellemző hatást tulajdonítunk (lásd ÚT-3.06). A mérési módszerek felterhelési szakaszai és értékelése néhány ponton eltér a hazánkban megszokottól. A vizsgálat időigénye 5-35 perc a helyszínen, egy laboráns a méréshez elegendő. A terheléshez ellensúly szükséges. Párhuzamos vizsgálatot nem alkalmaznak. 7
16-17. kép, Statikus teherbírás vizsgálat d=600 mm tárcsával Young-féle modulus (mint teherbírási jellemző) meghatározására alkalmas a GeoGauge elektromechanikus módszert (D 6758 0) is alkalmazták. A műszert a szemcsés, kohézió nélküli anyagok mérésére ajánlják, valamint kissé iszapos és agyagos anyagok elemzésére, amelyek nincsenek kitéve a nedvességtartalom változásának. A módszer hátránya, hogy a mérési eredményt könnyen megzavarja a környezet vibrációs terhelése. Tudomásunk szerint a tömörség nem jellemezhető, a teherbírásból viszont következtetni lehet a próbatömörítés alapján várható megfelelőségre. A vizsgálat időigénye -15 perc a helyszínen, egy laboráns a méréshez elegendő. Párhuzamos vizsgálatot nem alkalmaznak. 18-19. kép, Geogaue műszer Viszonyítási sűrűség kérdései A módosított Proctor-vizsgálatra vonatkozó előírás Magyarországon az MSZ 14043/7 volt, az uniós csatlakozás óta az MSZ EN 1386- szabvány (illetve ennek 7.4 pontja ajánlott, mint a módosított Proctor-vizsgálat), jelentősebb eltérés nélkül. Magyarországon 005 óta az európai előírásokat tükröző EN 1386- szabvány van érvényben. 8
MSZ EN 1386-:005 7. Homokos kavics.60.50.40.30 ρ száraz.0..00 1.90 1.80 1.70 1.60 4 6 8 1 14 16 18 0 4 6 w% 1. ábra Proctor körvizsgálat: Homokos kavics Nem közismert, hogy a viszonyítási sűrűséggel számított tömörségi fok hibája egyes méréseknél elérheti a 4-6%-ot is. A tömöríthetőségi vizsgálat olyan hosszadalmas és körülményes, hogy nagy mintaszámú mérési sorozat a vizsgálati szórás meghatározására igen ritkán készül. Elemzést végeztünk egy nagyszámú körvizsgálatból (KTI 005. évi Proctor körvizsgálat), mely a problémát jól bemutatja. A tendencia jellemzésére az ábrán feltüntettük a nagy víztartalmak tartományában néhány számított értékeket is annak jellemzésére, hogy a jellegzetes Proctor-görbe alakjánál igazoljuk, hogy az a telítési vonalak közé simul a nedves ágban (lásd 1--3 ábra) Nem részletezzük, csak utalunk korábbi publikációinkra, melyben javasoltuk a wopt-hoz tartozó telítési vonal (például S=0,88) és a száraz ági Proctor-görbe metszéspontjától balra, illetve jobbra eső szakasz szétválasztását. Ennek oka az, hogy az anyag viselkedése döntően megváltozik a nedves ágban és ezért matematikailag nem azonos feltételekkel kell kezelni. A közös pont a két típusú görbe között nem ad felhatalmazást arra, hogy azokat azonos matematikai modellként, egy görbeként kezelhessük. MSZ EN 1386-:005 MSZ EN 1386-:005 clay y = 0.0003x - 0.0034x + 1.7389 y = -0.0036x + 0.1349x + 0.5661 R = 0.9643 R = 1.0.30.0...00 ρ száraz ρ száraz.00 1.90 1.90 1.80 1.80 1.70 1.70 1.60 1.50 1.60 4 6 8 1 14 16 18 0 4 w% 1 14 16 18 w% homok agyag 9 0 4
-3. ábra Proctor görbék új feldolgozási módszerrel A két szakasz egy görbe Proctor-görbét értékelő elméletet (006 Phong - Subert), szerint vizsgálva megállapítható, hogy más-más optimális víztartalmat mutatnak a feldolgozások. Kimutattuk, hogy a száraz ág görbéje többnyire domború, de néha egy egyenes, vagy akár kissé homorú görbe. A nedves viselkedési görbeszakasz mindig jellegzetesen belesimul a telítési vonalak közé és végül közelít S=1 telítettséghez (-3 ábra). Mivel magas telítettségnél a helyszíni tömörítés sem lehetséges, ezért nincs értelme a görbe bevonásának a matematikai modellbe. A Proctor-görbe a mért pontokból regressziós analízissel számítható és egyben megadja a dinamikus tömörségméréshez szükséges nedvességkorrekciós görbét is (Trw=ρdi/ ρdmax). Példaként bemutatunk egy jellemző esetet, amikor az optimális víztartalom eltér. Az új feldolgozásban egyértelmű a töréspont. (lásd 4-5. ábra). y =0.0003x - 0.0034x +1.7389 MSZ EN 1386-:005 R =0.9643 ρ száraz 1.80 1.70 1.60 4 6 8 1 14 16 18 0 4 w% 4. ábra Hagyományos feldolgozású Proctorgörbe 5. ábra Új módszerrel feldolgozott, összetett Proctor-görbe Telítettség és levegőtartalom összefüggése a tömörséggel Egy kutatás keretében 566 db Proctor-eredmény feldolgozásával, nyolc különböző anyagra megállapítottuk az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom és telítettség összefüggését. Jellemző, hogy 1 tf%-nál jóval alacsonyabb levegőtartalom adódott általában, az optimálisnak bizonyuló víztartalomnál. Ez az elérhető legnagyobb száraz sűrűségnél helyezkedik el, ami a 0% tömörségi foknak felel meg.
Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom és telítettség összefüggése telítettség 1.00 y = -0.03x + 1 R = 0.9 0.80 0.60 0.40 0 4 6 8 1 14 16 18 0 4 levegőtartalom összes minta Dolomit murva Linear (összes minta) 6. ábra A wopt-hoz tartozó levegőtartalom és telítettség általános összefüggése A regresszió-analízisből összefüggést felállítva a 0% tömörséghez tartozó, optimális telítettség S=88 94 közöttinek mutatkozott. Ez a dinamikus tömörségmérés szempontjából döntő fontosságú, mert dinamikus módszerek csak háromfázisú rendszerekben alkalmazhatók (nagytárcsás LFWD, valamint KUAB sem), mert a víz az ütések hatásra nem nyomódik össze. Az 7. ábra szerint a telítettség javasolt alsó értékét S=0,88-ban jelölhetjük meg, mint ebből a statisztikai vizsgálatból adódó következtetést. E szerint az optimális víztartalomhoz tartozó telítettség közelítően a levegőtartalom háromszoros súllyal levonva egyből. Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom eloszlása 90 80 70 60 50 40 30 0 4-5 3-4 - 3 1-0 - 1 19-0 18-19 17-18 16-17 15-16 14-15 13-14 1-13 11-1 9-8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 -3 1-0-1 0-11 7. ábra Az optimális víztartalomhoz tartozó levegőtartalom gyakorisági eloszlása Irodalomjegyzék - FGSV 516:003 Merkblatt für die Verdichtung das Untergrundes mit Unterbaues im Straßenbau. Measuring Method for Dynamic Compactness & Bearing Capacity with SP-LFWD - CWA 15846 MSZ EN 1386 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek. Vizsgálati módszerek a laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom meghatározására. Proctor-tömörítés. MSZ EN 1386 3 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 3. A laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom vizsgálati módszerei. Vibrosajtolás szabályozott paraméterekkel. EN 1386 4 Kötőanyag nélküli és hidraulikus kötőanyagú keverékek 4. A laboratóriumi viszonyítási térfogatsűrűség és víztartalom vizsgálati módszerei. Vibrokalapács. 11
- - Report on usage of Andreas dynamic load bearing capacity and compactness deflectometer) University of Ljubljana Katedra za mehaniko tal z laboratorijem Operational devices for compaction optimization and quality control (Continuous Compaction Control & Light Falling Weight Device) D. Adam & F. Kopf Comparison of B&C LFWD and sand filling method Ms. Panarat Ramkhamhaeng University, Thailand ÚT -.14 Dinamikus tömörség- és teherbírás mérés kistárcsás könnyű-ejtősúlyos berendezéssel Dr Pusztai József Dr Imre Emőke Dr Lőrincz János Subert István Trang Quoc Phong: Nagyfelületű, dinamikus tömörségmérés kifejlesztése helyazonosítással és a tömörítő hengerek süllyedésének folyamatos helyszíni mérésével. COLAS jelentés 007. Subert I. - Phong T.Q.: Proctor-vizsgálatok új értelmezési lehetőségei Mélyépítéstudományi Szemle 007 Király Á. - Morvay Z.: Földmunkák minősítő vizsgálatainak hatékonysági kérdései Magyarországon Subert: Method for measuring Compactness-rate with New Dynamic LFWD. XIII. Danube-European Conference on Geotechnical Engineering Ljubljana, Slovenia, 006 Subert I.: Dinamikus tömörségmérés a hazai autópályákon és városi helyreállításokon Geotechnika Konferencia 006 Ráckeve. (006. október 17-18.) Fáy M. - Király Á.: - Subert I.: Közúti forgalom igénybevételének modellezése új, dinamikus tömörségés teherbírásméréssel. Városi Közlekedés 006 Fáy M. - Király Á.: - Subert I.: Egy földmű-tömörségi anomália feltárása és megoldása. Mélyépítéstudományi Szemle 006 Subert I.: Dinamikus tömörségmérés aktuális kérdései. A dinamikus tömörség mérés újabb tapasztalatai Geotechnika Konferencia 005 Ráckeve. (005. október 18-0.) Subert I.: Új, környezetkímélő, gazdaságos mérőeszközök a közlekedésépítésben Geotechnika Konferencia 004 Ráckeve. (004. október 6-7.) Subert I.: A dinamikus tömörség- és teherbírásmérés újabb paraméterei és a modulusok átszámíthatósági kérdései Közúti és mélyépítési szemle 55. évf. 005. 1. sz. (5 oldal) Subert I.: B&C dinamikus tömörségmérés Mélyépítés 004 október-december (p.:38-39). Subert I.: B&C egy hasznos társ Magyar Építő Fórum 004/5 szám (p.:36. oldal). 1